计算机系统结构

1. 计算机系统结构 • 硬件系统的组成和主要功能 • 软件系统的功能和组成 • 用户、软件和硬件

2. 硬件系统的组成和主要功能 冯·诺依曼结构:

3. 硬件系统的组成和主要功能 1.1 中央处理器（CPU） 中央处理器（ Central Processing Unit，CPU）也称为微处理器，它是计算机的“心脏”，其主要功能是执行程序指令，处理数据的各种运算并完成各种控制。

4. 中央处理器（CPU）

5. 中央处理器（CPU） 1.CPU的构成 CPU是由运算器和控制器组成的。 运算器（ALU，Arithmetic-logic unit）的主要功能是进行各种算术运算和逻辑运算。 控制器的主要功能是取指令、解释指令和执行指令。

6. 中央处理器（CPU） 1.CPU的构成 运算器与控制器的工作原理如图所示。

8. 中央处理器（CPU） 2.指令与程序 指令：对计算机发出的要计算机执行某种操作的操作命令。一般说来，一条指令对应着计算机的一种基本操作。 一台计算机可以有许多条指令，其作用各不相同，所有指令的集合被称为计算机的指令系统（指令集）。在微型计算机中通常采用CISC（复杂指令集计算机）和RISC（简化指令集计算机）。

9. 中央处理器（CPU） 2.指令与程序 一条指令由操作码和地址码两部分组成。 其中，操作码是命令计算机去执行的某种操作（如加法、比较、跳转等）；地址码是指参加运算的数据所在的单元地址。 例：

10. 中央处理器（CPU） 2.指令与程序 程序：完成既定任务的一组指令序列。计算机程序指挥计算机按照指令执行的顺序一步一步地控制计算机执行特定的算术、逻辑和控制运算，从而完成其预期的复杂任务。

11. 中央处理器（CPU） 3.计算机处理指令范例

12. 中央处理器（CPU） 3.计算机处理指令范例 ①M1 MMR M6 R1 ②M2 MMR M7 R2 ③M3 ADD

13. 中央处理器（CPU） 4.CPU性能指标 1）主频：CPU工作的时钟频率。CPU的工作是周期性的，它不断地执行取指令、执行指令等操作。这些操作需要精确定时，按照精确的节拍工作，因此CPU需要一个时钟电路产生标准节拍，一旦机器加电，时钟电路便连续不断地发出节拍，就像乐队的指挥一样指挥CPU有节奏地工作，这个节拍的频率就是主频。主频越高，表示一个时钟周期内完成固定的指令数所花费的时间越少，也就表示CPU运行的速度越快。主频的单位是兆赫兹（MHz）。

14. 中央处理器（CPU） 4.CPU性能指标 2）外频：实际上，计算机的任何部件都按一定的节拍工作。通常是主板上提供一个基准节拍供各部件使用。主板提供的节拍称为外频。

15. 中央处理器（CPU） 4.CPU性能指标 3）倍频：随着科技的发展，CPU的主频越来越快，而外部设备的工作频率跟不上CPU的工作频率，解决的方法是让CPU以外频的若干倍工作。CPU主频相对于外频的倍数称为CPU的倍频。 可表示为： CPU工作频率=倍频 X 外频

16. 中央处理器（CPU） 4.CPU性能指标 4）字长：字长是指CPU同一时间可以处理的数据的最多位数，字长值越大，表示CPU性能越高。对于字长为64位的CPU，我们称它为64位的处理器。

17. 中央处理器（CPU） 4.CPU性能指标 5）高速缓存（Cache）：外存储器的数据是通过内存进入CPU的，目前CPU技术的发展越来越快，其运算速度越来越快，与内存间速度的差距影响着数据的存取速度和CPU的高效运行，高速缓存的出现协调了它们之间的差距问题，它是内存和CPU之间的桥梁。数据通过高速缓存进入CPU，其存取速度比内存要快得多。 高速缓存分为一级高速缓存（L1 Cache）和二级高速缓存（L2 Cache）。一级高速缓存是内置在CPU内，二级高速缓存则作为一个独立的芯片被置于CPU外。

18. 中央处理器（CPU） 4.CPU性能指标 6）处理器核心：又称为内核，是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种CPU核心都具有固定的逻辑结构，一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有科学的布局。

19. 中央处理器（CPU） 6）处理器核心：

20. 为了便于CPU设计、生产、销售的管理，CPU制造商会对各种CPU核心给出相应的代号，这也就是所谓的CPU核心类型。为了便于CPU设计、生产、销售的管理，CPU制造商会对各种CPU核心给出相应的代号，这也就是所谓的CPU核心类型。 　　不同的CPU（不同系列或同一系列）都会有不同的核心类型（例如Pentium 4的Northwood，Willamette以及K6-2的CXT和K6-2+的ST-50等等），甚至同一种核心都会有不同版本的类型（例如Northwood核心就分为B0和C1等版本），核心版本的变更是为了修正上一版存在的一些错误，并提升一定的性能，而这些变化普通消费者是很少去注意的。

21. 每一种核心类型都有其相应的制造工艺（例如0.25um、0.18um、0.13um以及0.09um等）、核心面积（这是决定CPU成本的关键因素，成本与核心面积基本上成正比）、核心电压、电流大小、晶体管数量、各级缓存的大小、主频范围、流水线架构和支持的指令集（这两点是决定CPU实际性能和工作效率的关键因素）、功耗和发热量的大小、封装方式（例如S.E.P、PGA、FC-PGA、FC-PGA2等等）、接口类型（例如Socket 370，Socket A，Socket 478，Socket T，Slot 1、Socket 940等等）、前端总线频率（FSB）等等。因此，核心类型在某种程度上决定了CPU的工作性能。

22. 核心决定封闭方式 、接口类型等

23. 一般说来，新的核心类型往往比老的核心类型具有更好的性能（例如同频的Northwood核心Pentium 4 1.8A GHz就要比Willamette核心的Pentium 4 1.8GHz性能要高）。CPU核心的发展方向是更低的电压、更低的功耗、更先进的制造工艺、集成更多的晶体管、更小的核心面积（这会降低CPU的生产成本从而最终会降低CPU的销售价格）、更先进的流水线架构和更多的指令集、更高的前端总线频率、集成更多的功能（例如集成内存控制器等等）以及双核心和多核心（也就是1个CPU内部有2个或更多个核心）等。CPU核心的进步对普通消费者而言，最有意义的就是能以更低的价格买到性能更强的CPU。

24. 中央处理器（CPU） 参考资料： • 英特尔CPU核心 • AMD CPU核心 • 双核心介绍

25. 中央处理器（CPU） 5.目前CPU的市场 ①Intel公司 创建于1968年。在短短的三十多年内，创下令人瞩目的辉煌成就。1971年推出全球第一个微处理器，1981 年，IBM采用Intel生产的8088微处理器推出全球第一台IBM PC机，1984年入选全美一百家最值得投资的公司，1992年成为全球最大的半导体集成电路厂商，1994年其营业额达到了118亿美元，在CPU市场大约占据了80％份额。Intel 领导着CPU的世界潮流，从286、386、486、Pentium、昙花一现的Pentium Pro、Pentium II 、Pentium III、 Pentium 4到现在主流的Pentium D、酷睿2 ，它始终推动着微处理器的更新换代。Intel的CPU不仅性能出色，而且在稳定性、功耗方面都十分理想。

26. 什么是酷睿和酷睿2 “酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比。早期的酷睿是基于笔记本处理器的。 酷睿2：英文Core 2 Duo，是英特尔推出的新一代基于Core微架构的产品体系统称之一。于2006年7月27日发布。酷睿2，是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域。其中，服务器版的开发代号为Woodcrest，桌面版的开发代号为Conroe，移动版的开发代号为Merom。 “扣肉”即网友对酷睿的昵称 DUO表示该处理器为双核

27. 中央处理器（CPU） 5.目前CPU的市场 ②AMD 公司 创办于1969 年，总公司设于美国硅谷。是集成电路供应商，专为电脑、通信及电子消费类市场供应各种芯片产品，其中包括用于通信及网络设备的微处理器、闪存、以及基于硅片技术的解决方案等。AMD是唯一能与Intel竞争的CPU生产厂家，AMD公司的产品现在已经形成了以Athlon XP、Duron、Sempron、Athlon 64等为核心的一系列产品。AMD公司认为，由于在CPU核心架构方面的优势，同主频的AMD处理器具有更好的整体性能。但AMD前期的处理器的发热量往往比较大，目前的新产品因为关注了发热量问题，现在的产品中这个问题已经不用太多注意。同时因为产品得到多家合作伙伴以及众多整机生产厂商的支持，早期产品中兼容性不好的问题已经基本解决。AMD的产品的特点是性能较高而且价格便宜。

29. 中央处理器（CPU） 6.课外作业 假设你现在需要购买一台新电脑，请根据个人需求情况选购一款CPU，请简短说明选择该款CPU的理由。 参网网址： www.pconline.comcn太平洋电脑网 www.it168.com IT168